एक नए अध्ययन के अनुसार, सीमेंट और कार्बन ब्लैक (बहुत बढ़िया चारकोल के समान), मानवता की दो सबसे सर्वव्यापी ऐतिहासिक सामग्रियां, एक नई, कम लागत वाली ऊर्जा भंडारण प्रणाली का आधार बन सकती हैं। यह तकनीक नवीकरणीय ऊर्जा आपूर्ति में उतार-चढ़ाव के बावजूद ऊर्जा नेटवर्क को स्थिर रहने में सक्षम बना सकती है, जिससे सौर, पवन और ज्वारीय ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के उपयोग को बढ़ावा मिलेगा।
एमआईटी इंजीनियरों ने "सुपरकैपेसिटर" बनाने के लिए एक प्राचीन और प्रचुर मात्रा में सामग्री का उपयोग किया है जो बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है। केवल सीमेंट, पानी और कार्बन ब्लैक (चारकोल पाउडर के समान) से निर्मित, यह उपकरण सौर या पवन जैसी आंतरायिक नवीकरणीय ऊर्जा के भंडारण के लिए एक सस्ती प्रणाली के आधार के रूप में काम कर सकता है। छवि स्रोत: फ्रांज-जोसेफउल्म, एडमिरमैसिक और यांग-शाओहॉर्न
शोधकर्ताओं ने पता लगाया है कि दो सामग्रियों को पानी के साथ मिलाकर सुपरकैपेसिटर (बैटरी का एक विकल्प) बनाया जा सकता है जो विद्युत ऊर्जा भंडारण प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, सिस्टम विकसित करने वाले एमआईटी शोधकर्ताओं का कहना है कि उनके सुपरकैपेसिटर अंततः घरों की कंक्रीट नींव में स्थापित किए जा सकते हैं, जिससे उन्हें नींव से बहुत कम या बिना किसी अतिरिक्त (या घटाई गई) लागत के पूरे दिन की बिजली स्टोर करने की इजाजत मिलती है और फिर भी आवश्यक संरचनात्मक ताकत प्रदान की जा सकती है। शोधकर्ता एक ठोस फुटपाथ की भी कल्पना करते हैं जो इलेक्ट्रिक वाहनों के गुजरने पर संपर्क रहित चार्जिंग प्रदान कर सके।
एमआईटी के प्रोफेसर फ्रांज-जोसेफ उल्म, एडमिर मैसिक और यांग-शाओ हॉर्न, एमआईटी और वाइस इंस्टीट्यूट के चार अन्य प्रोफेसरों के साथ, हाल ही में प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज (पीएनएएस) में प्रकाशित एक पेपर में इस सरल लेकिन अभिनव तकनीक का वर्णन करते हैं।
सिद्धांत रूप में, एक संधारित्र एक बहुत ही सरल उपकरण है जिसमें इलेक्ट्रोलाइट में डूबी दो प्रवाहकीय प्लेटें होती हैं, जो एक पतली फिल्म से अलग होती हैं। जब एक संधारित्र पर वोल्टेज लागू किया जाता है, तो इलेक्ट्रोलाइट में सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए प्लेटों पर एकत्र होते हैं, और सकारात्मक रूप से चार्ज की गई प्लेटें नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों को एकत्र करती हैं। चूँकि प्लेटों के बीच की फिल्म आवेशित आयनों के प्रवास को रोकती है, आवेशों के अलग होने से प्लेटों के बीच एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है, और संधारित्र आवेशित हो जाता है। दोनों प्लेटें आवेशों की जोड़ी को लंबे समय तक रोक कर रख सकती हैं और जरूरत पड़ने पर उन्हें तुरंत छोड़ सकती हैं। सुपरकैपेसिटर एक संधारित्र है जो अत्यधिक बड़े विद्युत आवेशों को संग्रहीत करने में सक्षम है।
एक संधारित्र कितनी बिजली संग्रहित कर सकता है यह उसकी संवाहक प्लेटों के कुल सतह क्षेत्र पर निर्भर करता है। अनुसंधान टीम द्वारा विकसित नए सुपरकैपेसिटर की कुंजी सीमेंट-आधारित सामग्री के उत्पादन की एक विधि में निहित है, जिसकी मात्रा के भीतर प्रवाहकीय सामग्रियों के घने, परस्पर जुड़े नेटवर्क की उपस्थिति के कारण अत्यधिक उच्च आंतरिक सतह क्षेत्र होता है। शोधकर्ताओं ने सीमेंट पाउडर और पानी के साथ कंक्रीट मिश्रण में अत्यधिक प्रवाहकीय कार्बन ब्लैक को शामिल करके और इसे जमने की अनुमति देकर इसे हासिल किया। जैसे ही पानी सीमेंट के साथ प्रतिक्रिया करता है, यह स्वाभाविक रूप से संरचना में खुले स्थानों का एक शाखा नेटवर्क बनाता है, और कार्बन इन स्थानों में स्थानांतरित हो जाता है, जिससे कठोर सीमेंट में एक तार जैसी संरचना बन जाती है।
इन संरचनाओं में एक भग्न जैसी संरचना होती है, जिसमें बड़ी शाखाएँ छोटी शाखाओं में विकसित होती हैं, जो छोटी शाखाओं में विकसित होती हैं, और इसी तरह, अंततः अपेक्षाकृत छोटी मात्रा के भीतर एक बहुत बड़े सतह क्षेत्र का निर्माण करती हैं। फिर इस सामग्री को एक मानक इलेक्ट्रोलाइट सामग्री जैसे पोटेशियम क्लोराइड, एक नमक में भिगोया जाता है, जो कार्बन संरचना पर आवेशित कणों को जमा करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस सामग्री से बने दो इलेक्ट्रोड अंतरिक्ष या इन्सुलेशन की एक पतली परत से अलग होकर एक बहुत शक्तिशाली सुपरकैपेसिटर बना सकते हैं।
क्योंकि यह नया "सुपरकैपेसिटर" कंक्रीट अपनी ताकत बरकरार रखता है, इस सामग्री पर बनी नींव वाला एक घर सौर पैनलों या पवन चक्कियों द्वारा उत्पन्न एक दिन की ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है और जब भी जरूरत हो इसका उपयोग कर सकता है। छवि स्रोत: फ्रांज-जोसेफउल्म, एडमिरमैसिक और यांग-शाओहॉर्न
संधारित्र की दो प्लेटें समान वोल्टेज की रिचार्जेबल बैटरी के ध्रुवों की तरह होती हैं: बैटरी की तरह, ऊर्जा स्रोत से कनेक्ट होने पर प्लेटों में ऊर्जा संग्रहीत होती है, और फिर लोड से कनेक्ट होने पर, विद्युत ऊर्जा प्रदान करते हुए, विद्युत प्रवाह वापस प्रवाहित होता है।
"यह सामग्री आकर्षक है," मैसिक ने कहा, "क्योंकि आपके पास दुनिया में सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली मानव निर्मित सामग्री है, सीमेंट, जो कार्बन ब्लैक के साथ संयुक्त है, जो एक प्रसिद्ध ऐतिहासिक सामग्री है - मृत सागर स्क्रॉल इसमें लिखे गए थे। आपके पास ये सामग्रियां हैं जो कम से कम दो हजार साल पुरानी हैं, और जब आप उन्हें एक विशिष्ट तरीके से जोड़ते हैं, तो आप एक प्रवाहकीय नैनोकम्पोजिट बनाते हैं, और यहीं चीजें वास्तव में दिलचस्प हो जाती हैं।"
"जैसे ही मिश्रण जमता है और जम जाता है, पानी व्यवस्थित रूप से सीमेंट हाइड्रेशन प्रतिक्रियाओं के माध्यम से खपत होता है, और यह हाइड्रेशन प्रतिक्रिया मूल रूप से कार्बन नैनोकणों को प्रभावित करती है क्योंकि वे हाइड्रोफोबिक (पानी के प्रति प्रतिरोधी) होते हैं। जैसे ही मिश्रण विकसित होता है, कार्बन ब्लैक एक कनेक्टेड प्रवाहकीय धागे में स्वयं इकट्ठा होता है। यह प्रक्रिया उन सामग्रियों का उपयोग करके आसानी से दोहराई जा सकती है जो सस्ती हैं और दुनिया में कहीं भी उपलब्ध हैं। कार्बराइज्ड नेटवर्क को प्राप्त करने के लिए आवश्यक कार्बन की मात्रा बहुत कम है, जो कि केवल 3% है। मिश्रण की मात्रा।"
इस सामग्री से बने सुपरकैपेसिटर में दुनिया को नवीकरणीय ऊर्जा में बदलने में मदद करने की भारी क्षमता है। उत्सर्जन-मुक्त ऊर्जा के मुख्य स्रोत - पवन, सौर और ज्वारीय ऊर्जा - अनियमित समय पर उत्पादन करते हैं, जो अक्सर चरम बिजली की मांग के साथ असंगत होते हैं, इसलिए बिजली भंडारण के तरीके महत्वपूर्ण हैं। "बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण उपकरणों की बहुत आवश्यकता है। मौजूदा बैटरियां बहुत महंगी हैं और मुख्य रूप से लिथियम जैसी सामग्रियों पर निर्भर करती हैं, जिनकी आपूर्ति सीमित है, इसलिए सस्ते विकल्पों की तत्काल आवश्यकता है।" उल्म ने कहा: "यह वह जगह है जहां हमारी तकनीक बहुत आशाजनक है, क्योंकि सीमेंट हर जगह है।"
टीम ने गणना की कि नैनोकार्बन ब्लैक-इन्फ्यूज्ड कंक्रीट का 45 क्यूबिक मीटर (या यार्ड) ब्लॉक (लगभग 3.5 मीटर व्यास वाले क्यूब के बराबर) लगभग 10 किलोवाट घंटे ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए पर्याप्त होगा, जो एक घर के औसत दैनिक बिजली उपयोग के बराबर है। क्योंकि कंक्रीट अपनी ताकत बरकरार रखता है, इस सामग्री से बनी नींव वाला एक घर सौर पैनलों या पवन चक्कियों से एक दिन की बिजली संग्रहीत कर सकता है और जरूरत पड़ने पर उपयोग के लिए तैयार कर सकता है। इसके अलावा, सुपरकैपेसिटर बैटरी की तुलना में बहुत तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज होते हैं।
सीमेंट, कार्बन ब्लैक और पानी के सबसे प्रभावी अनुपात को निर्धारित करने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला के बाद, टीम ने छोटे सुपरकैपेसिटर बनाए, कुछ बटन बैटरी के आकार के, लगभग 1 सेंटीमीटर व्यास और 1 मिलीमीटर मोटे। प्रत्येक को 1 वोल्ट तक चार्ज किया जा सकता है, जो 1-वोल्ट बैटरी के बराबर है। फिर उन्होंने इनमें से तीन कोशिकाओं को जोड़ा और 3-वोल्ट प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) को रोशन करने की अपनी क्षमता का प्रदर्शन किया। सिद्धांत को सिद्ध करने के बाद, वे अब बड़े संस्करणों की एक श्रृंखला बनाने की योजना बना रहे हैं, जो एक सामान्य 12-वोल्ट कार बैटरी के समान आकार के साथ शुरू होगी और फिर एक घर की बिजली को स्टोर करने की क्षमता प्रदर्शित करने के लिए 45 क्यूबिक मीटर संस्करण तक बढ़ जाएगी।
उन्होंने पाया कि सामग्री की भंडारण क्षमता और इसकी संरचनात्मक ताकत के बीच एक समझौता था। अधिक कार्बन ब्लैक जोड़ने से, परिणामी सुपरकैपेसिटर अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है, लेकिन कंक्रीट थोड़ा कमजोर होगा, जो उन अनुप्रयोगों में उपयोगी हो सकता है जहां कंक्रीट संरचनात्मक भूमिका नहीं निभाती है या जहां कंक्रीट की पूर्ण शक्ति क्षमता की आवश्यकता नहीं है। उन्होंने पाया कि नींव या पवन टरबाइन आधार संरचनात्मक सदस्यों जैसे अनुप्रयोगों के लिए, मिश्रण में "मीठा स्थान" लगभग 10% कार्बन ब्लैक है।
कार्बन-सीमेंट सुपरकैपेसिटर के लिए एक अन्य संभावित अनुप्रयोग कंक्रीट फुटपाथ के निर्माण में है जो सड़क के किनारे सौर पैनलों द्वारा उत्पन्न ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है और फिर मोबाइल फोन को वायरलेस तरीके से चार्ज करने के लिए उपयोग की जाने वाली उसी तकनीक का उपयोग करके सड़क पर चलने वाली इलेक्ट्रिक कारों को ऊर्जा प्रदान कर सकता है। जर्मनी और नीदरलैंड में कंपनियां पहले से ही संबंधित कार चार्जिंग सिस्टम विकसित कर रही हैं, लेकिन मानक बैटरी का उपयोग कर रही हैं।
शोधकर्ताओं का कहना है कि प्रौद्योगिकी का प्रारंभिक उपयोग ग्रिड से अलग घरों, इमारतों या आश्रयों में हो सकता है जो सीमेंट सुपरकैपेसिटर से जुड़े सौर पैनलों द्वारा संचालित हो सकते हैं।
प्रणाली अत्यधिक स्केलेबल है क्योंकि ऊर्जा भंडारण क्षमता इलेक्ट्रोड वॉल्यूम का प्रत्यक्ष कार्य है। "आप 1-मिलीमीटर-मोटे इलेक्ट्रोड से 1-मीटर-मोटे इलेक्ट्रोड तक स्केल कर सकते हैं, और ऐसा करके, आप मूल रूप से कुछ सेकंड के लिए एक एलईडी को जलाने से लेकर पूरे घर को बिजली देने तक ऊर्जा भंडारण क्षमता को स्केल कर सकते हैं," उल्म ने कहा।
किसी विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए आवश्यक गुणों के आधार पर, मिश्रण को समायोजित करके सिस्टम को ट्यून किया जा सकता है। कार चार्जिंग सड़कों के लिए, बहुत तेज़ चार्जिंग और डिस्चार्जिंग गति की आवश्यकता होती है, जबकि घरेलू बिजली आपूर्ति के लिए चार्ज करने के लिए पूरा दिन होता है, इसलिए धीमी चार्जिंग सामग्री का उपयोग किया जा सकता है।
तो यह वास्तव में एक बहुमुखी सामग्री है। सुपरकैपेसिटर के रूप में ऊर्जा भंडारण के अलावा, उसी कंक्रीट मिश्रण का उपयोग केवल कार्बन युक्त कंक्रीट के माध्यम से बिजली प्रवाहित करके हीटिंग सिस्टम के रूप में भी किया जा सकता है।
उल्म इसे "ऊर्जा परिवर्तन के हिस्से के रूप में कंक्रीट के भविष्य को देखने का एक नया तरीका" के रूप में देखता है।